Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Phân bón nitơ có thể giúp cung cấp lương thực cho dân số đang gia tăng của thế giới, nhưng chúng cũng gây tốn kém và tổn hại cho hệ sinh thái. Tuy nhiên, một vài loại cây đã tiến hóa khả năng tự sản xuất nitơ với sự trợ giúp của vi khuẩn, và một nghiên cứu mới giúp giải thích cách chúng làm điều đó.

Theo Heather Rose Kates, người đã thực hiện nghiên cứu này khi đang làm nghiên cứu sau tiến sĩ tại Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Florida, đây là thông tin quan trọng cho các nhà nghiên cứu hy vọng tạo ra các loại cây trồng mới có thể tự thu nhận nitơ.

"Các nỗ lực lai tạo và cải tiến cây trồng thường tập trung vào một loài cây mô hình duy nhất, điều này có thể bỏ qua bối cảnh tiến hóa của các tính trạng," cô nói. Thay vì tìm hiểu mọi thứ về cách một loài sản xuất nitơ vì lợi ích thiết thực, nghiên cứu này cho thấy có thể có nhiều con đường di truyền khác nhau cần được thử nghiệm. "Việc chỉ nhìn vào những gì bạn có thể nghĩ về một phiên bản của tính trạng có thể hạn chế hiệu quả áp dụng tính trạng đó ở các loài cây khác."

Nitơ là yếu tố cần thiết cho tất cả sự sống trên Trái Đất, điều này có thể làm cho nó trở nên khó tiếp cận. Sự cạnh tranh gay gắt yếu tố này trong môi trường tự nhiên thường dẫn đến việc không đủ nitơ mặc dù nitơ rất phong phú trong khí quyển. Có tới 78% không khí chúng ta thở được cấu thành từ nitơ ở dạng phân tử mà rất ít sinh vật sống có thể sử dụng trực tiếp. Các tế bào duy nhất trên Trái Đất có khả năng "cố định" nitơ khí quyển là các vi sinh vật có tên là vi khuẩn cố định đạm (diazotroph).

Một số thực vật đã tận dụng điều này để tạo lợi thế cho chúng. Có khoảng 17.000 loài thực vật tạo ra mối quan hệ cộng sinh với vi khuẩn cố định đạm. Khi các vi khuẩn này xâm nhập vào rễ, cây sẽ tạo ra các cấu trúc giống như nốt sần xung quanh chúng. Bên trong, vi khuẩn nhận đường để phát triển và đổi lại, chúng cung cấp cho cây chủ nitơ ở dạng có thể sử dụng được.

Mối quan hệ tương hỗ này chủ yếu giới hạn trong một nhóm thực vật có quan hệ gần gũi được gọi là nhóm cố định đạm - nhưng ngay cả trong các loài có quan hệ này, tính trạng chỉ hiện diện đứt quảng. Hầu hết các cây có sự cộng sinh cố định nitơ là cây họ đậu, hoặc thành viên của họ đậu, một nhóm bao gồm các loại cây như đậu nành, đậu phộng và cỏ ba lá. Một vài ví dụ về các cây không thuộc họ đậu có thể hình thành nốt sần bao gồm các thành viên của họ bạch dương, họ hoa hồng và họ bầu bí.

Việc tạo ra nốt sần là một quá trình phức tạp về mặt di truyền, khiến nhiều nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng tính trạng này chỉ tiến hóa một lần trong nhóm cây có quan hệ họ hàng gần gũi này. Nếu đúng như vậy, điều đó có nghĩa là có một công tắc duy nhất trong mã di truyền của cây, có thể bật khả năng tạo nốt sần ở các loài cây thiếu tính trạng này, chẳng hạn như nhiều loại cây nông nghiệp.

"Khi một tính trạng liên quan đến nhiều gen cũng sẽ gây tiêu tốn năng lượng của cây, mà chúng tôi biết rằng việc hình thành nốt sần rễ là như vậy, nên chúng tôi mong đợi có một áp lực chọn lọc mạnh chống lại việc tiến hóa tính trạng đó. Vì vậy, trong bối cảnh đó, giả thuyết nguồn gốc duy nhất có ý nghĩa," Kates nói.

Kates và các đồng nghiệp của cô đã kiểm tra ý tưởng này bằng cách tái tạo lại lịch sử tiến hóa của các cây tạo nốt sần và các loài liên quan chặt chẽ bằng dữ liệu di truyền. Họ phân tích trình tự DNA từ gần 15.000 loài và tạo ra cây phát sinh loài lớn nhất được xây dựng từ đầu cho nhóm này hoặc bất kỳ nhóm nào khác.

Các nỗ lực trước đây để xác định số lần tiến hóa của nốt sần đã bị cản trở bởi lượng dữ liệu khổng lồ cần được phân tích. Nhóm đã làm việc với nhiều mẫu vật trong phòng tiêu bản đến mức họ phải phát triển một phương pháp hoàn toàn mới để sắp xếp thông tin.

"Về cơ bản, chúng tôi có hai năm để tập hợp 15.000 mẫu mô từ nhóm cây cố định nitơ, giải trình tự và xây dựng cây phát sinh loài", Robert Guralnick, đồng tác giả của nghiên cứu và là người quản lý thông tin đa dạng sinh học tại Bảo tàng Florida cho biết.

Nhiều mẫu vật cũng rất cũ, được thu thập gần một thế kỷ trước, có nghĩa là DNA của chúng thường bị phân hủy hoặc hư hỏng. "Nhưng các phương pháp tách chiết và giải trình tự của chúng tôi đã được điều chỉnh cho các vấn đề đó," Guralnick nói. "Chúng tôi khá ngạc nhiên về chất lượng và số lượng phục hồi cao nói chung và dữ liệu di truyền có thể sử dụng được từ các mẫu của chúng tôi."

Kết quả của họ cho thấy sự hình thành nốt sần tiến hóa theo một quá trình hai bước. Tổ tiên của nhóm này đã phát triển bộ công cụ di truyền cơ bản cần thiết để tạo nốt sần, mà nó đã truyền lại cho tất cả thế hệ sau. Tuy nhiên, cần có thêm các chỉ dẫn cần thiết để thiết lập bộ máy chuyển động và thực sự làm cho các nốt sần phát triển. Tính trạng thứ hai này tiến hóa không chỉ một lần mà ít nhất 16 lần. Và chỉ vì một loài có được khả năng tạo nốt sần không có nghĩa là chúng sẽ giữ nó mãi mãi; các loài trong nhóm đã mất nốt sần của mình trong 10 sự kiện riêng biệt.

Những phát hiện này cho thấy rằng nốt sần không được kiểm soát bởi một công tắc di truyền duy nhất, mà giống như một bộ ngắt mạch phức tạp. Để một cây phát triển nốt sần, nhiều công tắc phải được bật. Các nhà nghiên cứu đã có thể xác định và giải trình tự nhiều gen liên quan đến việc tạo nốt sần. Bước tiếp theo sẽ là xác định cách các gen này hoạt động và chính xác là chúng mã hóa cho những tính trạng nào.

"Mục tiêu tổng thể là sử dụng những gì chúng tôi biết được từ các nghiên cứu tiến hóa này để giúp hiểu được về di truyền học và các quá trình cơ bản liên quan đến cộng sinh cố định nitơ, và sau đó sử dụng thông tin đó cho công nghệ" đồng tác giả nghiên cứu Pam Soltis, người quản lý tại Bảo tàng Florida cho biết.

Hầu hết các cây trồng thương mại như lúa mì và lúa không thể tạo nốt sần và phải dựa vào phân bón nitơ. Nhiều nghiên cứu công nghệ sinh học trên tính trạng tạo nốt sần được mô phỏng theo cây họ đậu, nhưng Doug Soltis, người quản lý tại Bảo tàng Florida và là đồng tác giả nghiên cứu, cho biết điều này có thể không phải là cách tiếp cận tốt nhất. "Cây phát sinh loài của chúng tôi cho thấy bạn có thể muốn xem xét các mô hình khác. Việc cố định nitơ có thể đã tiến hóa khác nhau ở cây họ đậu so với họ hoa hồng hoặc họ bạch dương, vì vậy có thể có các lộ trình khác nhau," Doug Soltis nói.

Nguồn: Sciencedaily.com